СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
1. МЕТОДЫ НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ 12
1.1 Введение 12
1.2 Изменение структуры и фазового состава материалов иод действием ультразвуковой ударной обработки 14
1.3 Обработка поверхностных слоев электронными и ионными пучками 21
1.3.1 Воздействие электронными пучками 21
1.3.2 Обработка поверхностных слоев ионными пучками 27
1.4 Ионно-плазменное азотирование 30
1.5 Постановка задачи 3 8
2 МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА 40
2.1 Материал исследований 40
2.2 Методы исследований 42
3 ФОРМИРОВАНИЕ НАНО(СУБМИКРО-) КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ СТАЛИ ЭК-181 В ПРОЦЕССЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ 46
3.1 Микроструктурные исследования стали, подвершу гой ультразвуковой обработке 46
3.2 Влияние ультразвуковой обработки на механические характеристики
стали 56
3.3 Обсуждение результатов 57
3.4 Выводы 61
4 ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ НА ЭВОЛЮЦИЮ МИКРОСТРУКТУРЫ И МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ ЭК-181 В ПРОЦЕССЕ МЕХАНИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ 63
4.1 Изменение микроструктуры стали в процессе механического нагружения 63
4.1.1 Микроструктура стали ЭК-181, подвергнутой стандартной термообработке 63
2
4.1.2 Микроструктура стали ЭК-181 с промежуточной ультразвуковой обработкой 68
4.2 Исследование деформационного рельефа, формирующегося на поверхности образцов стали ЭК-181, в процессе одноосного растяжения 71
4.2.1 Локализованный характер пластической деформации нагруженных образцов 71
4.2.2 Зависимость складчатых структур от толщины упрочненного слоя
и степени деформации 74
4.3 Закономерности макролокализации деформации и образование шейки 77
4.4 Фрактофафические исследования стали ЭК-181 в исходном состоянии и
с нано(субмикро-)структурными поверхностными слоями 80
4.5 Обсуждение результатов 83
4.6 Выводы 100 5 ФОРМИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИ СТАБИЛЬНЫХ
НАНОСТРУКТУРНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ В СТАЛИ ЭК-181 102
5.1 Влияние температуры старения на формирование в стали карбидных и интерметаллидных фаз 102
5.2 Влияние ионно-плазменного азотирования на микроструктуру и механические характеристики стали ЭК-181 106
5.3 Наноструктурирование поверхностных слоев стали ЭК-181 путем облучения электронными и ионными пучками 112
5.3.1 Облучение стали ЭК-181 иизкоэнергстическими элскгронными пучками 112
5.3.2 Облучение стали ЭК-181 ионными пучками циркония 117
5.3.2.1 Микрострукгурные исследования поверхностных слоев стали, подвергнутой обработке ионными пучками 117
5.3.2.2 Особенности деформации и разрушения поверхностных слоев стали ЭК-181, подвергнутых облучению ионами циркония 121
5.3.2.3 Влияние обработки пучками ионов Zr+ на механические
характеристики стали ЭК-181 123
5.3.2.4 Влияние термического отжига на структуру и механические
свойства стали ЭК-181 с модифицированными поверхностными слоями 125
3
5.4. Обсуждение результатов 127
5.5 Выводы 138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 142
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы.
Среди различных способов упрочнения конструкционных материалов особое место занимает поверхностное наиоструктурирование. Создание ианокристаллической структуры в тонком поверхностном слое позволяет существенно увеличить прочностные свойства (предел текучести, временное сопротивление, предел выносливости), коррозионную стойкость и другие эксплуатационные характеристики металлов и их сварных соединений [1-12]. Технология поверхностного наноструктурирования характеризуется относительной простотой и низкой себестоимостью. В отличие от методов интенсивной пластической деформации, при наноструктурировании поверхностных слоев твердых тел нет жестких ограничений по их размерам и гсометрической форме.
Механизм влияния поверхностного наноструктурирования на макромеханические характеристики материала до сих пор остается неясным. Характер пластической деформации наноструктурных поверхностных слоев существенным образом зависит от строения границ зерен, их протяженности и атомной плотности, наличия наиопор и других свободных объемов и др. Большое значение имеет сопряжение крупнокристаллического материала и его поверхностного слоя, имеющего ианокристаллическую структуру.
В рамках представления деформируемого твердого тела как многоуровневой системы, поверхностный слой играет важную функциональную роль. Согласно [13], в поверхностных слоях развиваются каналироваиные потоки локальных структурных превращений в направлениях максимальных касательных напряжений. Данные потоки создают локальный изгиб образца. В результате на боковой грани образца возникает концентратор напряжений, который генерирует макрополосу сброса локализованной деформации, распространяющуюся через все его сечение. Это обуславливает снижение макромеханических характеристик нагруженного материала. Однако систематических исследований возможностей управления каналированными потоками и способов их подавления до сих пор не проводилось.
В отличие от традиционных химико-термических методов поверхностного упрочнения, поверхностное наноструктурирование позволяет наглядно
продемонстрировать эффект повышения макромеханических характеристик
5
конструкционных материалов за счет блокирования распространения локализованных сдвигов в их поверхностных слоях. Данная концепция поверхностного наноструктурирования, разработанная с учетом многоуровневого характера деформации и разрушения твердых тел, требовала экспериментального исследования.
Методы поверхностного наноструктурирования могут быть успешно использованы при создании перспективных жаропрочных и радиационно-стойких конструкционных материалов для ядерных энергетических реакторов. В данной работе исследована ферритно-мартенситная сталь ЭК-181 (16Х12В2ФТаР),
разработанная в ФГУП ВНИИНМ им. A.A. Почвара [14-16]. Благодаря выбранной системе легирования и режимам термообработки, сталь ЭК-181 является малоактивируемым дисперсно-твсрдсющим конструкционным материалом с высокими технологическими и механическими свойствами в широком диапазоне температур (300-700 °С). Результаты сравнительного анализа механизмов деформации и разрушения данной стали, находящейся в исходном состоянии и имеющей нанокристаллическую структуру в тонком поверхностном слое, могут быть использованы для дальнейшей модификации ферритно-мартенситных сталей с цслыо расширения температурных и дозовых интервалов их применения.
Целью данной работы являлось исследование влияния наноструктуриронаиия поверхностных слоев на механизмы деформации и разрушения образцов ферритно-мартенситной стали ЭК-181 с учетом самосогласованна различных масштабных уровней. Для достижения данной цели в работе были поставлены следующие задачи:
1. Провести поиск оптимального сочетания термической и ультразвуковой обработок, позволяющего получать нано(субмикро-)кристаллическую структуру в поверхностных слоях образцов стали ЭК-181.
2. Исследовать влияние состояния поверхностного слоя на характер многоуровневой деформации и разрушения образцов стали ЭК-181 в процессе одноосного растяжения в широком интервале температур (от -196 до 400 °С).
3. Изучить возможность создания термически стабильных нано(субмикро-) структурных поверхностных слоев в образцах стали ЭК-181 путем сочетания ультразвуковой обработки и ионно-плазменного азотирования.
6
4. Исследовать влияние облучения низкоэнергетическими электронными и ионными пучками на структуру, фазовый состав и прочностные характеристики образцов стали ЭК-181.
Новизна работы. В работе впервые:
1. Исследованы микроструктура и фазовый состав поверхностных слоев образцов фсрритио-мартеиситной стали ЭК-181, подвергнутых различным сочетаниям ультразвуковой и термической обработок. Показано, что нано(субмикро-) кристаллическая структура а-фазы, формирующаяся в образцах стали ЭК-181 в результате закатки, ультразвуковой обработки и старения, обусловливает максимальное увеличение их предела текучести при одноосном растяжении.
2. Изучены закономерности пластической деформации на различных масштабных уровнях образцов стали ЭК-181, имеющих в поверхностных слоях ферритно-мартенситную и нано(субмикро)кристалличсскую структуру а-фазы. Получены экспериментальные данные, свидетельствующие о персіісктивности многоуровневого подхода для анализа механизмов упрочнения твердых тел путем наноструктурирования их поверхностных слоев.
3. Исследована возможность поверхностного упрочнения образцов стали ЭК-181 путем закалки, ультразвуковой обработки, азотирования и высокотемпературного старения. Показано, что температура азотирования оказывает существенное влияние не только на структуру и фазовый состав поверхностных слоев стали, но и на процесс выделения частиц вторых фаз в объеме материала.
4. Показано, что облучение электронным пучком позволяет создать в поверхностных слоях стали ЭК-181 нано(субмикро-)кристаллические ферритные зерна. В результате бомбардировки пучками ионов циркония в поверхностных слоях стали ЭК-181 формируется многослойная композиция, состоящая из пленки оксидов циркония, слоя имплантированного циркония и переходной зоны, имеющей мартенситлую структуру, обогащенную интерметаллидными фазами.
Научная и практическая ценность.
1. Установленные в работе особенности формирования ианокристалличсской структуры в поверхностных слоях образцов стали ЭК-181 могут быть использованы при дальнейшей модификации ферритно-мартснситных сталей с целью расширения температурного диапазона их применения в энергетической технике.
7
2. Закономерности многоуровневого пластического течения образцов стали ЭК-181 с наноструктурированными поверхностными слоями должны учитываться при . обосновании функциональной роли поверхностного слоя в процессах деформации и разрушения конструкционных материалов при различных внешних воздействиях.
3. Разработанный метод поверхностного упрочнения, основанный на совмещении термической обработки, ультразвукового воздействия и ионноплазменного азотирования, обеспечивает высокие механические свойства образцов стали ЭК-181 как при комнатной, так и при повышенных температурах испытаний.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Влияние ультразвукового воздействия на структуру и харакгер выделения вторых фаз в поверхносшых слоях стали ЭК-181 онределяегся последовательностью ультразвуковой и термической обработок, а также температурой и длительностью старения.
2. Распространение локализованных сдвигов в поверхностных слоях нагруженных образцов стали ЭК-181 обусловливает формирование «переплетающихся» рельефных складок за счет экструзии и интрузии поверхностных зерен. Ианоструктурирование блокирует распространение локализованных сдвигов в поверхностном слое образцов стали ЭК-181, обеспечивая повышение их макромеханичсских характеристик при одноосном растяжении.
3. Формирование шейки в образцах стали ЭК-181 начинается на стадии слабого деформационного упрочнения задолго до достижения предела прочности и обусловлено самосогласованным распространением двух макрополос локализованной деформации. Интенсивная пластическая деформация внутри макрополос приводит к измельчению зерен, а таюке увеличению доли малоугловых границ по сравнению с окружающим материалом.
4. Поверхностное упрочнение стали ЭК-181 в результате обработки низкоэнергетическими электронными пучками связано с формированием нано(субмикро-)кристаллических зерен феррита. Наноструктурирование поверхностных слоев стали ЭК-181 путем бомбардировки ионами циркония обусловливает формирование градиентной структуры, состоящей из пленки оксидов
8
циркония, слоя имплантированного циркония и переходной области, обогащенной интерметаллидными фазами.
Достоверность научных положений, результатов и выводов подтверждается хорошим совпадением экспериментальных данных, полученных различными современными методами исследования, систематическим характером проведения исследований и обработки результатов, а также согласием полученных результатов с данными других авторов.
Личный вклад автора заключается в совместных с научным руководителем постановке задач диссертации, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации, в проведении экспериментов и обработке экспериментальных данных. Диссертант лично проводил механические испытания, измерение микротвердости, анализ поверхности с использованием оптической, сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии, а также принимал непосредственное участие в анализе и обработке экспериментального материала, полученного с использованием наноиндентора, рентгеноструктурного и микрорентгсноспектрального анализа, растровой и просвечивающей электронной микроскопии (оборудование расположено в Центре коллектив!юго пользования «Нанотех» Учреждения Российской академии наук Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН и в Томском материаловедческом центре коллективного пользования Г'ОУ ВПО «Томский государственный университет»).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: Международной научно-практической конференции студентов и
молодых учёных «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009), Всероссийской конференции «Материалы ядерной техники» (Краснодарский край, Туапсинский район, пос. Агой, 2005, 2010), Международной конференции «Физическая мезомеханика, компьютерное конструирование и разработка новых материалов» (г. Томск, 2006, 2009), Всероссийской научно-технической конференции «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск, 2007, 2008, 2009), International Conference on Fusion Reactor Materials (Nice
9
(France), 2007, Sapporo (Japan), 2009), Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2007), Всероссийской конференции «Наноструктурные материалы» (г. Новосибирск, 2007), Российском семинаре «Теория и многоуровневое моделирование дефектов, явлений и свойств материалов ядерной техники» (Москва, 2008), Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения» (г. Томск, 2008), Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург, 2010), International Conference of Mesomechanics «Multiscaling of Synthetic and Natural Systems with Self-Adaptive Capability» (Taipei (Taiwan), 2010).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 5 статей в рецензируемых журналах и 25 докладов в сборниках трудов конференций.
Структура работы. Текст диссертации состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы. Работ изложена на 152 страницах, содержит 115 рисунков и 15 таблиц. Библиографический список включает 136 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель исследования, положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость, представлена структура диссертации.
В первом разделе подробно проанализированы литературные данные, связанные с формированием в поверхностных слоях конструкционных материалов нанокристаллической структуры путем механического воздействия - ультразвуковой ударной обработки, и облучения концентрированными потоками частиц -электронными и ионными пучками. Особое внимание уделено ионно-плазменному азотированию, которое может быть использовано в качестве метода стабилизации наноструктуры в поверхностных слоях сталей различного класса. На основе проведенного литературного обзора сформулированы основные задачи исследования.
Во втором разделе описаны режимы термической обработки, а также методы поверхностного на« юстру курирования образцов ферритно-мартенситной стали ЭК-181. Представлены методы экспериментальных исследований.
В третьем разделе проведен поиск оптимального сочетания термической и ультразвуковой обработок, позволяющего получать нанокристалличсскую структуру в поверхностных слоях стали ЭК-181. Поскольку стандартная термообработка стали
10
ЭК-181 состоит из закалки и высокотемпературного старения, то ультразвуковую обработку проводили после закалки, после старения, либо между закалкой и старением. Изложены результаты исследования микроструктуры, формирующейся в поверхностных слоях стали ЭК-181, а также сс влияния на прочностные характеристики образцов при механическом нагружении.
Четвертый раздел посвящен исследованию влияния наноструктурирования поверхностного слоя на характер деформации и разрушения стали ЭК-181 в процессе одноосного растяжения. Проведен анализ структуры, деформационного рельефа и фрактографии излома образцов, находящихся в закаленном и состаренном состоянии, а также подвергнутых промежуточной ультразвуковой обработке. Исследования были выполнены вдали от места образования шейки (соответствует месту однородной деформации) и непосредственно внутри шейки (область локализованной деформации). Сравнение данных областей позволило проследить динамику изменения микроструктуры стали ЭК-181 в процессе механического нагружения.
В пятом разделе обсуждаются особенности формирования термически стабильных нано(субмикро-)структурных поверхностных слоев в образцах стали ЭК-181 путем сочетания ультразвуковой обработки и ионно-плазменного азотирования. Представлены результаты исследования влияния облучения пизкоэнергетическими электронными и ионными пучками на структуру, фазовый состав и прочностные характеристики образцов стали ЭК-181. Термическую стабильность модифицированных поверхностных слоев стали ЭК-181 исследовали путем длительного термического отжига, а также испытаний образцов при повышенных температурах.
В заключении приводятся основные выводы но результатам диссертационной работы.
В диссертации принята двойная нумерация формул, рисунков и таблиц. Первая цифра указывает номер главы, а вторая - порядковый номер рисунка, таблицы или формулы внутри данной главы.
11
1. МЕТОДЫ НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
1.1 Введение
Современные методы создания в металлах и сплавах нанострукгурных состояний основаны на технологии интенсивной пластической деформации и включают в себя равноканальнос угловое прессование, кручение под давлением, всестороннюю ковку и др [17]. В настоящее время достигнут определенный прогресс в получении объемных материалов с нано- или субмикрокристаллическим размером зерна, обладающих высокими прочностными характеристиками [17-21] и повышенной усталостной прочностью [22] и износостойкостью [23]. Однако большинство методов больших пластических деформаций трудно применить в промышленности из-за их высокой стоимости и низкой производительности.
Согласно принципам физической мезомеханики [24], поверхностные слои в нагруженном твердом теле являются важным мезоскопическим уровнем деформации, который оказывает существенное влияние на зарождение и развитие пластической деформации в объеме материала. Более того, хорошо известно, что элементы разрушения, вызванные усталостью, коррозией или другими термическими и механическими воздействиями, обычно возникают на поверхности. Поэтому, формирование нанокристаллической структуры в поверхностном слое конструкционного материала может значительно повысить его эксплуатационные характеристики. Существуют различные технологии измельчения зеренной структуры в поверхностных слоях и, следовательно, достижения превосходных свойств материала без изменения его химического состава, которые в последние десятилетия имеют промышленное освоение, а также интересны для научных исследований из-за их простоты и низкой стоимости. К таким технологиям относятся, ультразвуковая ударная обработка, дробеструйная обработка, поверхностная механическая обработка истиранием, обработка электронными и ионными пучками и др.
Поверхностные ультразвуковая и дробеструйная обработки являются эффективными способами увеличения долговечности деталей машин и
12
инструментов, различных по конструкции, материалу и условиям эксплуатации. Они направлены на повышение их прочности за счет пластической деформации поверхности. В результате подобного воздействия происходит измельчение размера зерна и перераспределение остаточных напряжений в поверхностном слое обрабатываемого материала. В работах [6] и [7], показано, что толщина поверхностного наноструктурного слоя чистого железа, полученного методом дробеструйной обработки, составляла 30 мкм, и размер зерна изменялся от 10 до 100 нм при движении от поверхности вглубь образца. Диалогичные изменения структуры описаны в [25] для алюминиевого сплава подвергнутого дробеструйной обработке. Авторами [26-29] показано, что в поверхностных слоях нержавеющих сталей, а также чистого металла, подвергнутого обработке шарами, колеблющимися с ультразвуковой частотой (SMAT surface mechanical attrition treatment), получена нанокристалличсская структура с размером зерна от 15 до 50 нм и глубиной слоя в пределах от 20 до 60 мкм. Подобное изменение структуры обусловливает существенное увеличение твердости поверхностных слоев и прочности всего образца [28], а также износостойкости [29] и усталостной долговечности [30] обрабатываемого материала.
Наряду с методами интенсивной пластической деформации в настоящее время успешно ведутся работы по широкому применению в промышленности радиационных технологий поверхностного упрочнения. Обработка поверхностных слоев металлов электронным и ионным пучками является одним их эффективных методов поверхностного наноструктурирования, позволяющим существенно изменять не только микроструктуру, но и фазовый состав материала. Так, при обработке электронным пучком некоторых типов сталей, применяемых в автомобильной промышленности, получено увеличение микротвёрдости от 2 до 5 раз и, соответственно, повышение их срока службы. Обработка электронным пучком боковой поверхности рельсов и лопаток газовых турбин также позволяет увеличить срок их службы в 2-2,5 раза [31,32].
Представляет интерес подробно проанализировать литературные данные, связанные с формированием в поверхностных слоях конструкционных материалов нанокристаллической структуры путем механического воздействия -ультразвуковой ударной обработки, и облучения концентрированными потоками
13
- Київ+380960830922